Verstärkerstufe

Eine Verstärkerstufe ist ein grundlegender Schaltungsblock innerhalb eines Operationsverstärkers, der für die Spannungs- oder Stromverstärkung des Eingangssignals verantwortlich ist. Sie ist ein Kernbestandteil, der die primären Verstärkungseigenschaften des Verstärkers bestimmt und oft Transistoren oder andere aktive Bauelemente umfasst, die so konfiguriert sind, dass sie den Signalpegel vor der weiteren Verarbeitung oder Ausgabe multiplizieren. Die Verstärkerstufe verwendet typischerweise eine Differenzverstärkerkonfiguration (bei Operationsverstärkern), bei der eine kleine Differenz-Eingangsspannung einen viel größeren Ausgangsstrom oder eine viel größere Ausgangsspannung steuert. Dies wird durch die Transkonduktanz aktiver Bauelemente wie BJTs oder MOSFETs erreicht, oft mit Stromspiegeln und aktiven Lasten, um eine hohe, stabile Verstärkung einzustellen. Das verstärkte Ausgangssignal wird dann an nachfolgende Stufen wie den Ausgangspuffer weitergegeben. In einem typischen Operationsverstärker ist die Verstärkerstufe die erste oder zweite Stufe und liefert den Großteil der Leerlaufverstärkung. Ihr Design wirkt sich direkt auf Schlüsselparameter wie Verstärkungs-Bandbreite-Produkt, Slew Rate und Eingangs-Offset-Spannung aus. Die Verstärkerstufe wird auf einem Halbleitersubstrat, typischerweise Silizium, hergestellt, mit dotierten Bereichen, die Transistoren bilden, Metallverbindungen für die Verdrahtung und dielektrischen Schichten zur Isolierung. Sie arbeitet über einen Versorgungsspannungsbereich von ±2,5 V bis ±18 V (oder Einzelversorgung 5–36 V), mit einem Ruhestrom von 0,5–5 mA pro Verstärker. Das Verstärkungs-Bandbreite-Produkt liegt zwischen 1–10 MHz und die Slew Rate zwischen 0,5–20 V/µs. Die Eingangs-Offset-Spannung beträgt typischerweise 0,1–5 mV, und der Eingangs-Bias-Strom liegt zwischen 1–100 nA (BJT höher, CMOS niedriger). Der Ausgangsspannungshub beträgt ±12–±15 V bei ±15 V Versorgung und 10 kΩ Last. Der Betriebstemperaturbereich liegt bei -40 bis 85 °C (Industriequalität). Übliche Gehäuse sind SOT-23-5 (JEDEC MO-178). Die ESD-Bewertung (HBM) beträgt 2–4 kV gemäß IEC 61000-4-2. Diese Werte sind typische Bereiche; überprüfen Sie die modellspezifischen Spezifikationen mit dem Hersteller.

Die Verstärkerstufe in einem Operationsverstärker verwendet typischerweise ein Differenzpaar aus Transistoren (BJT oder MOSFET), die eine kleine Differenz-Eingangsspannung in einen proportionalen Strom umwandeln. Dieser Strom wird dann gespiegelt und mit aktiven Lasten in eine Spannung umgewandelt, wodurch eine hohe Verstärkung erreicht wird. Die Transkonduktanz der aktiven Bauelemente in Kombination mit der hohen Ausgangsimpedanz der Stromquellen setzt die Leerlaufverstärkung fest. Die Stufe wird so vorgespannt, dass sie im aktiven Bereich arbeitet, was eine lineare Verstärkung gewährleistet. Das Ausgangssignal wird dann an nachfolgende Stufen zur weiteren Verarbeitung oder Pufferung weitergegeben.